一 直角坐標(biāo)機(jī)器人的定義及主要特點(diǎn)
機(jī)器人按ISO 8373定義為：位置可以固定或移動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、多功能多用處、末端操作器的位置要在3個(gè)或3個(gè)以上自由度內(nèi)可編程的工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備。這里自由度就是指可運(yùn)動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)的軸。直角坐標(biāo)機(jī)器人是以直線運(yùn)動(dòng)軸為主，各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸通常對(duì)應(yīng)直角坐標(biāo)系中的X軸，Y軸和Z軸。在絕大多數(shù)情況下直角坐標(biāo)機(jī)器人的各個(gè)直線運(yùn)動(dòng)軸間的夾角為直角。
直角坐標(biāo)機(jī)器人主要由一些直線運(yùn)動(dòng)單元，驅(qū)動(dòng)電機(jī)，控制系統(tǒng)和末端操作器組成。針對(duì)不同的應(yīng)用，可以方便快速組合成不同維數(shù)，各種行程和不同帶載能力的壁掛式、懸臂式、龍門式或倒掛式等各種形式的直角坐標(biāo)機(jī)器人。從簡單的二維機(jī)器人到復(fù)雜的五維機(jī)器人就有上百種結(jié)構(gòu)形式的成功應(yīng)用案例。從食品生產(chǎn)到汽車裝配等各行各業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)線中，都有各式各樣的多臺(tái)直角坐標(biāo)機(jī)器人和其它設(shè)備嚴(yán)格同步協(xié)調(diào)工作。可以說直角坐標(biāo)機(jī)器人幾乎能勝任幾乎所有的工業(yè)自動(dòng)化任務(wù)。下面是其主要特點(diǎn)：
1任意組合成各種結(jié)構(gòu)樣式，帶載能力和尺寸的機(jī)器人。
2采用多根直線運(yùn)動(dòng)單元級(jí)連和齒輪齒條傳動(dòng)，可以形成幾十米的超大行程機(jī)器人。
3采用多根直線運(yùn)動(dòng)單元平連及各帶多滑塊結(jié)構(gòu)時(shí)其負(fù)載能力可增加到數(shù)噸。
4 其最大運(yùn)行速度可達(dá)到每秒8米，加速度可達(dá)到每秒4米。
5 重復(fù)定位精度可達(dá)到0.01mm~ 0.05mm。
6 采用帶有RTCP功能的五軸或五軸以上數(shù)控系統(tǒng)能完成非常復(fù)雜軌跡的工作。
德國百格拉公司是世界上最著名的直角坐標(biāo)機(jī)器人供應(yīng)商之一，生產(chǎn)多種規(guī)格的直線運(yùn)動(dòng)單元/導(dǎo)軌、步進(jìn)電機(jī)、交流伺服電機(jī)、直線電機(jī)和多軸數(shù)控系統(tǒng)。以此為基礎(chǔ)，在短時(shí)間內(nèi)可提供各種規(guī)格的線性導(dǎo)軌、二維、三維標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器人及用戶專用機(jī)器人和生產(chǎn)線。這些機(jī)器人可以裝備焊槍、通用手爪或?qū)Ｓ霉ぞ撸瓿珊附印徇\(yùn)、上下料、包裝、碼垛、拆垛、檢測(cè)、探傷、分類、裝配、貼標(biāo)、噴碼、打碼、（軟仿型）噴涂等一系列工作。由于百格拉的導(dǎo)軌、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速機(jī)和控制系統(tǒng)等所有部件全部自己生產(chǎn)，使得機(jī)器人整體性能更加優(yōu)異。十多年來出廠的機(jī)器人和生產(chǎn)線全部在正常工作，深受包裝機(jī)械、印刷機(jī)械、機(jī)械電子、汽車、食品、藥品和化妝品生產(chǎn)等行業(yè)新老用戶的厚愛。
百格拉公司的120多名專家及工程技術(shù)人員成功開發(fā)生產(chǎn)了各種規(guī)格的線性導(dǎo)軌，并在此基礎(chǔ)上與用戶密切合作開發(fā)通用及專用機(jī)器人，已為許多廠家提供了數(shù)千臺(tái)各種專用機(jī)器人及生產(chǎn)線。其中一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是工件質(zhì)量檢測(cè)。在超大批量生產(chǎn)中，每個(gè)產(chǎn)品的主要功能乃至整個(gè)產(chǎn)品的所有功能都必須經(jīng)過嚴(yán)格的100%的檢測(cè)，而檢測(cè)周期又很短，這就需要專業(yè)的工件檢測(cè)機(jī)器人。下面介紹一個(gè)在機(jī)器視覺精確定位下直角坐標(biāo)機(jī)器人對(duì)產(chǎn)品的檢驗(yàn)應(yīng)用案例。
二 任務(wù)描述
被檢測(cè)的產(chǎn)品被整齊放在一個(gè)5000*5000mm的檢測(cè)平臺(tái)上。每個(gè)產(chǎn)品的尺寸大約是40*40mm，整個(gè)平臺(tái)被均分成120行和120列的矩陣式14400個(gè)小格，每個(gè)格的尺寸是40*40mm。每個(gè)格中心處放一個(gè)產(chǎn)品，其位置有1mm左右的誤差，但誤差僅是在X和Y方向上，而產(chǎn)品的方向是足夠準(zhǔn)確的。機(jī)器手要把測(cè)量頭準(zhǔn)確插入產(chǎn)品信號(hào)端子上，測(cè)量儀器發(fā)出幾種檢測(cè)信號(hào)，來檢驗(yàn)該產(chǎn)品的各個(gè)功能是否正常工作。測(cè)量儀器接收產(chǎn)品的輸出信號(hào)，并以此為依據(jù)來判斷產(chǎn)品是否合格。測(cè)量儀器要給出不合格產(chǎn)品的位置。在上面的工作過程中，機(jī)器人必須知道每個(gè)產(chǎn)品的準(zhǔn)確位置，誤差要小于0.1mm, 這樣機(jī)器人才能把測(cè)量用插頭準(zhǔn)確插入產(chǎn)品信號(hào)端子上。
三 所選用的機(jī)器人
工作平臺(tái)的有效面積是5000*5000mm，這里要選擇一個(gè)有效行程為5200*5200*300mm的三維機(jī)器人。為了測(cè)量每個(gè)產(chǎn)品的準(zhǔn)確位置，我們?cè)跈C(jī)器人的Z軸上安裝了CCD智能相機(jī)，由機(jī)器人按事先定好的位置運(yùn)動(dòng)到被測(cè)產(chǎn)品的上面，CCD智能相機(jī)鏡頭與被測(cè)產(chǎn)品的最高面的高度是100mm，保證視場(chǎng)范圍是70*70 mm。
為此我們選用德國百格拉公司的三維龍門式直角坐標(biāo)機(jī)器人。通過下面的簡單分析來介紹各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的選擇。由于CCD相機(jī)及所配電纜的總重量大約500克，測(cè)量用插頭及所配電纜的總重量大約1000克，向上拔出測(cè)量用插頭的力量大約1000克，Z軸總負(fù)載大約為2500克，所以Z軸選用負(fù)載為10公斤的LM-P608 R—T5抓取式導(dǎo)軌。考慮到可能有幾種不同高度的產(chǎn)品要檢測(cè)，Z軸的最大行程選為300mm，Z軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)為帶抱閘的百格拉公司交流伺服電機(jī)SER3916/5S，Z軸自重加上所有負(fù)載和驅(qū)動(dòng)電機(jī)為21.6公斤。Y軸選擇為兩根LM-P812-AT10，有效行程為5200mm，驅(qū)動(dòng)電機(jī)為SER3913/5S，配德國紐卡特精密行星減速機(jī)PLE80-8，Y軸自重加上所有負(fù)載（Z軸）和驅(qū)動(dòng)電機(jī)為200.3公斤。根據(jù)Y軸，Z軸重量及所有負(fù)載和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的總重量，所以X軸選用LM-P/S812 R-AT10，有效行程為5200mm，驅(qū)動(dòng)電機(jī)為SER3913/5S配德國紐卡特精密行星減速機(jī)PLE80-8。
四 控制結(jié)構(gòu)和CCD智能相機(jī)
該機(jī)器人的控制系統(tǒng)采用德國運(yùn)動(dòng)技術(shù)公司（Movtec）的三軸運(yùn)動(dòng)控制卡DEC4T3和運(yùn)動(dòng)控制軟件Editasc。DEC4T3運(yùn)動(dòng)控制卡是基于PC機(jī)，專用控制3臺(tái)步進(jìn)電機(jī)和數(shù)字伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制卡。EdiTasc不僅是MOVTEC公司各種控制卡配套的通用數(shù)控軟件，它也是一個(gè)高度開放的開發(fā)平臺(tái)，可以直接控制各種工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備，或方便的開發(fā)用戶專用頁面及控制系統(tǒng)。DEC4T3自帶36路數(shù)字輸入輸出口作為限位開關(guān)，控制CCD智能相機(jī)和起動(dòng)檢測(cè)儀器。
CCD智能相機(jī)選用德國Vision Components GmbH公司的智能相機(jī)VC2028。智能相機(jī)就是一個(gè)獨(dú)力的圖象處理系統(tǒng)，它包含Sony 1/2” 640*480點(diǎn)的CCD芯片，逐行掃描每秒25楨圖像，存儲(chǔ)器配置是16 MB SDRAM, 2 MB Flash Eprom, 8 bit overlay, CPU是TMS320C62XX，速度是1200MIPS （每秒1200百萬指令）。我們把調(diào)試好的圖象處理軟件下傳給VC2028，當(dāng)VC2028上電后該軟件就自動(dòng)工作。VC2028通過自帶RS232口 可以把計(jì)算出來的位置數(shù)據(jù)傳給PC機(jī)。VC2028還自帶4路數(shù)字輸入口和4路數(shù)字輸出口，用于與控制軟件協(xié)調(diào)同步，VC2028的視場(chǎng)范圍是70mm×70mm。
五 工作過程：
整個(gè)工作臺(tái)上有80×120個(gè)產(chǎn)品，X軸方向有80行，Y軸方向有120列，每個(gè)產(chǎn)品占60*40mm的工作臺(tái)面。 先對(duì)第一行的第一個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)，然后是第一行的第二個(gè)產(chǎn)品，如此依次到最后是第一行的第八十個(gè)產(chǎn)品。完成對(duì)第一行所有產(chǎn)品的檢測(cè)后，再對(duì)第二行上從第一列上的產(chǎn)品到第一百二十列上的產(chǎn)品依次逐個(gè)進(jìn)行檢測(cè)，如此依次逐行逐列對(duì)所有產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)。
利用EdiTasc通用數(shù)控軟件的Mtasc語言可以很方便簡單地完成上面的定位運(yùn)動(dòng)。 程序結(jié)構(gòu)大體如下：
I = -1;
J = -1;
For 120 {
I = I + 1;
For 120 {
J = J + 1;
If (Input1 == 1) {
Xposi = I * 120 + 60;
Yposi = J * 80 + 40;
X Xposi Y Yposi MF ;
Wait 0.0;
}
Out Output1
}
}
機(jī)械手先將Z軸運(yùn)動(dòng)到產(chǎn)品上面后，然后輸入信號(hào)給VC2028。當(dāng)VC2028檢測(cè)到一路輸入信號(hào)為高電平時(shí)就開啟閃光燈，同時(shí)抓取一幅圖象。圖象處理軟件的功能大體如下：
1）第一步是先對(duì)圖象二值化處理，由于采用近似平行光從側(cè)面照明，產(chǎn)品的兩個(gè)幾乎相互垂直的外邊可以很清楚地被檢測(cè)出來。
2）第二步是對(duì)兩個(gè)幾乎相互垂直的外邊的位置和幾個(gè)孔的位置進(jìn)行推算，為得到更準(zhǔn)的位置，利用子像素差補(bǔ)技術(shù)求出多個(gè)位置，選出合理合格的數(shù)據(jù)，再取它們的平均值。
3）把得到的位置數(shù)據(jù)通過RS232傳給EdiTasc軟件。EdiTasc通用數(shù)控軟件得到新的位置數(shù)據(jù)后，根據(jù)所得位置的差來移動(dòng)X軸和Y軸到產(chǎn)品上面。實(shí)際中0.1mm的位置差對(duì)于百格拉的機(jī)器人很輕松得到保證。
到達(dá)產(chǎn)品的正上方后機(jī)械手把測(cè)量用插頭迅速準(zhǔn)確插入產(chǎn)品信號(hào)端子上，先給產(chǎn)品通電，然后測(cè)量儀器按一定時(shí)序發(fā)出檢測(cè)信號(hào)，接收該產(chǎn)品對(duì)應(yīng)各個(gè)功能時(shí)的輸出信號(hào)，并以此為依據(jù)來判斷產(chǎn)品是否合格。在Z軸把測(cè)量用插頭插入產(chǎn)品信號(hào)端子過程中，為了安全，控制軟件要通過輸入口檢測(cè)插入到位信號(hào)。當(dāng)控制軟件通過輸入口得到檢測(cè)完信號(hào)后開始把Z軸升高100mm,同時(shí)要檢驗(yàn)測(cè)量用插頭已真正拔出來了才可以開始下一個(gè)產(chǎn)品的檢驗(yàn)。
六：結(jié)論
采用德國百格拉公司的直角坐標(biāo)機(jī)器人后使上面的產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)速度大為提高，而且沒有遺漏現(xiàn)象出現(xiàn)，節(jié)省大量人力，從而降低人工成本。該機(jī)器人在正常維護(hù)下至少運(yùn)行十年。德國百格拉公司的直角坐標(biāo)機(jī)器人及機(jī)器視覺系統(tǒng)還廣泛應(yīng)用于灌裝機(jī)，紙張檢驗(yàn)，朔料印刷品檢驗(yàn)，布料質(zhì)量和木材表面質(zhì)量檢驗(yàn)等方面，同時(shí)德國百格拉公司還生產(chǎn)具有物體識(shí)別及搬運(yùn)等功能的機(jī)器人。以下為德國百格拉直角坐標(biāo)機(jī)器人的典型應(yīng)用：
1）從面包包裝，雞蛋噴碼到BOURJOIS公司和LAUDER化妝品公司口紅的裝配和包裝乃至很多藥品的包裝都應(yīng)用百格拉的機(jī)器人設(shè)備；
2）精密工件和電子產(chǎn)品的裝配，檢測(cè)和包裝：如西門子和諾基亞的手機(jī)生產(chǎn)中，飛利浦和Suntec的電子元件生產(chǎn)線；
3）其它一些大批量產(chǎn)品的質(zhì)量檢測(cè)和裝配。
4）大眾和奔馳公司的汽車的生產(chǎn)線，博世公司內(nèi)部自動(dòng)化生產(chǎn)線，海德堡印刷機(jī)生產(chǎn)線等。 隨著大批量自動(dòng)化生產(chǎn)的迅猛發(fā)展，很多產(chǎn)品需要在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中進(jìn)行全面的檢測(cè),探傷和清洗，這類直角坐標(biāo)機(jī)器人將具有更廣范的市場(chǎng)前景和發(fā)展?jié)摿Γ?/p>
